一氧化氮神奇生物化学作用正在揭示中

一氧化氮神奇生物化学作用正在揭示中吴国庆北京师范大学化学系９５年夏天在北京举行的第２７届国际化学奥林匹克有一道以ＮＯ的生物化学功能为主题的竞赛试题、反映了试题编制者们力求的先进性、趣味性和新颖性，受到广泛欢迎。下面是有关这个曾被美国某杂志选为明星分子的小小无机分子神奇功能的一些新近报道的综述，读者通过阅读本文也许还可以感受到，化学对生命的研究已经进步到什么地步。本文主要是根据ＣＥＮ，ＭＡＹ６、１９９６：３８～４２上一长篇报道改写的。你也许知道有一种叫做硝酸甘油酯的药物，已经用了１００多年了，它可以用来治疗突发的心绞痛。其实，这是利用了这种药物在生理条件下释放出的一氧化氮，它或许是一氧化氮作为药物的最老应用，尽管是不自觉的，只是到了近年，人们才认识到一氧化氮对动物有着多种重要作用。例如，已经知道，它是神经脉冲的传递介质，有调节血压的作用，能引发免癌功能等；如果人体不能及时制造出足够的一氧化氮，会导致一系列严重的疾病：高血压、血凝失常、免疫功能损伤、神经化学失衡、性功能障碍以及精神痛苦等等；使用释放ＮＯ的新药甚至可能对抑制癌症有重要作用。对一氧化氮的认识首先要归功于微量分析技术的发展，因为一氧化氮在生命体内的浓度是极低的，仅达微摩尔级甚至更低。而且、一氧化氮在细胞间存留的寿命也很短，因为ＮＯ是单电子分子，很活泼，一旦生成,很快被反应掉。因此，测试太难，这就不难理解，这样简单的分子为什么这样晚才被人有所认识。ＮＯ的生成一氧化氮分子在生命体中是在一氮化氮合成酶（下文用缩写ＮＯＳ）的催化作用下生成的。这种酶有多种存在形式，但其功能都是氧化精氨酸的两个胍基氮之一生成瓜氨酸和一氧化氮。反应所需的电子来自辅酶II[即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ＮＡＤＰＨ）］,后者同时被氧化。分子态氧是一氧化氮的氧源。ＮＯ在生物体里的主要反应在生物体内ＮＯ的攻击目标首先是蛋白质辅基里的金属离子，特别是血红蛋白里的铁，它与金属原子形成亚硝酰加合物。第二个去处是ＮＯ能与超氧离子（Ｏ２－）反应生成过氧亚硝酸根（ＯＮＯＯ－），第三个去处是，跟蛋白质或肽里的硫醇基反应生成Ｓ－亚硝酰加合物。ＮＯ对ＮＯＳ的自抑制作用９６年３月在美国的一次全国会议上，有人描述了通过神经原的ＮＯＳ的作用产生的一氧化氮如何快速地与酶本身的血红素中心的亚铁离子生成络合吻的过程。该络合物生成的速度极快，在酶合成第３个一氧化氮分子之前就使反应达到平衡。据报道，与ＮＯ分子快速反应的其他生物分子对该络合反应的速率没有影响，这证明，ＮＯ脱离酶的活性中心与其他分子反应前一直是键合着的。一旦生成亚铁－亚硝酰络合物，酶便不再具有活性。研究者使用可见光谱和拉曼光谱证实。甚至ＮＯ正在继续合成时，７０～９０％的酶已经失去活性成为自抑态。研究者很惊奇：为什么酶会如此快地因自己的产物（ＮO）而失活？他们认为，可能酶的活性是组织中存在的氧量调节的。ＮＯ络合物的生成容许神经原的ＮＯＳ去合成ＮＯ，其速度则与氧的浓度成正比。ＮＯ是氧量传感器NＯ结合血红素里的亚铁，一结合便与分子氧反应，生成硝酸根离子，并把血红素铁氧化成高铁。研究者强调，ＮＯ－酶络合物与氧的反应是阻抑酶再次进入生化合成历程的唯一途径。这就建立了一种不寻常的条件，使借助氧来分解亚铁－ＮＯ络合物成为稳态下的催化剂的定速步骤，而决定速度的并非电子转移、产物离去或任何其他通常决定生物合成反应的步骤，因而，通过生成亚铁－ＮＯ络合物，ＮＯＳ事实上成为氧的“传感器”，能迅速改变正被合成的ＮＯ的量，以反映组织中氧量的变化。ＮＯＳ并非唯一一种能够反映ＮＯ受氧浓度变化影响的含血红素蛋白质，血红蛋白也具有这种性质[Ｎａｔｕｒｅ，３８０，２２１（１９９６）]。血红蛋白结合或释放氧或者与ＮＯ和氧反应生成硝酸根离子会引起整个血红蛋白四聚体的变化。这些变化导致位于蛋白质半胱氨酸残基的硫基结合或释放ＮＯ。在血红蛋白的巯基和血红蛋白之间的相互反应是极其巧妙的，此中，血红蛋白会发生一次变构，引起巯基释放ＮＯ，该过程则既受配体的结合力的控制，又受血红素的自旋态的控制。ＮＯ调节血压这些研究者从而闹清了一个长期未解的谜：ＮＯ一个重要的生物化学功能—调节血压。血管内壁细胞含有它们自己的ＮＯＳ，它们合成ＮＯ，合成的ＮＯ与邻近的平滑肌细胞里的含血红素的酶—鸟苷酸环化酶反应，使肌肉松驰，使血管扩张，但是研究者们感到困惑不解的是，以微摩尔量级计的ＮＯ是如何能够到达肌肉的，因为血管本身所含的血红蛋白的浓度达毫摩尔量级，足以清除和破坏这些ＮＯ。后来，这批美国Ｄｕｋｅ大学的科学家们发现ＮＯ在血红蛋白的血红素里是通过生成亚硝基硫醇而受到保护免于转化为硝酸根的。最令人惊异的是这种亚硝基硫醇是ＮＯ跟血红蛋白本身的半胱氨酸基反应生成的，每一个血红蛋白的四聚体含有４个血红素基团和两个半胱氨酸基，每个半胱氨酸基有一个硫醇基，可以结合一个ＮＯ分子。这些半胱氨酸在生物进化成鸟类和哺乳动物时得以保存，细胞生物学家长期以来就猜疑它们具有某种重要功能而一直未能得解。使用化学荧光技术能够测量纳摩级浓度的生物体系里的亚硝基硫醇。研究者们指出，ＮＯ既与血红素铁结合，又与半胱氨酸的巯基结合。在氧的存在下，亚铁血红素的上ＮＯ被氧化成硝酸根。血红素铁的氧化态的变化会影响半胱氨酸中结合着的ＮＯ，使它释放ＮＯ。他们观察到血红细胞上的这一基团被转移到一个小肽的硫氢基上，例如转移到谷胱甘肽上，后者将把ＮＯ携出细胞。当氧被结合到血红素铁上时，半胱氨酸会结合更多的ＮＯ。血红蛋白结合氧会使整个四聚体的构型发生变化，由此会使半胱氨酸上的硫氢基更容易结合ＮＯ。研究者们测定由老鼠的动脉和静脉取来的血液发现，当血液被输送到肺部时，它既从血红素中心取得氧，又从血红蛋白的半胱氨酸残基上取得ＮＯ，而返回到肺部的血液里的血红蛋白则既耗尽了氧又耗尽了ＮＯ，研究者们指出。富氧血红蛋白清除掉血管里的ＮＯ、但是却使血压发生显著的变化，因为该分子立即使其他分子释放ＮＯ，从而引起血管松弛。血红蛋白运输氧时同时也释放ＮＯ，可能因此有助于扩充毛细管，使氧能够被输送到需要的细胞中去。另有人认为，ＮＯ的许多信号功能之一可能涉及ＮＯ从硫氢基释放或与之结合。许多肽和蛋白质能够形成亚硝基硫氢基，虽然Ｓ－亚硝酰血红蛋白是第一个被证实的，还应当有许多蛋白质，例如组织的血纤维蛋白溶酶原的活化剂和Ｎ－甲基－Ｄ－天门冬酸酯的受体，也可能具有通过Ｓ－亚硝酰化作用来调节的功能，正如通过磷酸化调节的其他蛋白质一样。但是这种说法与某些化学家的说法是相左的。后者提出动力学的论据来反对在生理条件下生成Ｓ－亚硝基硫醇。美国威斯康新大学的研究者们研究了可溶性鸟苷酸环化酶的调节机理，该酶与ＮＯ结合导致血管扩充。鸟苷酸环化酶也被卷入其他ＮＯ信号路径，包括某些在中枢神经的神奇莫测的学习和记忆的形成中起作用的路径，应用可见光谱和拉曼光谱，这些研究者研究了当ＮＯ结合时发生在鸟苷酸环化酶中的血红素铁的配位环境中的变化，据说。当ＮＯ结合时有一个组氨酸配体从血红素中被置换掉了，结果生成了血红素－亚硝酸络合物，该络合物不含任何来自蛋白质的配体。一氧化碳也能够结合血红素铁，但是后者不置换组氨酸配体，也不会使酶活比。为了确定置换组氨酸是否使鸟昔酸环化酶活化的重要条件，研究者们用其他具有不同配位优选性的金属卟啉来替换该酶的血红素基团。例如，Co(II)卟啉比起血红素更不喜欢同时结合ＮＯ和组氨酸。研究发现，跟天然的酶一样，含Co(II)卟啉的类似物在结合ＮＯ时也被活化。相反Ｍｎ（II）卟啉的类似物能够同时结合ＮＯ和组氨酸，不能因结合ＮＯ而被活化。鸟苷酸环化酶结合NO后的形体在隔绝空气时十分稳定，但是在空气中渐渐失活。失活是跟被结合的ＮＯ氧化成硝酸根和亚铁血红素氧化成高铁血红素有关。这意味着，这个反应可能使酶在体内失效。ＮＯ分子在昆虫吸血时的作用在阿里桑那大学的一批研究者报告说、至少有一类血红蛋白可以可逆地结合和释放ＮＯ。吸血昆虫在吸血时用这类酶扩张其猎物的血管。这些蛋白质的血红素里的铁是高铁而不是亚铁。它对ＮＯ的结合常数远小于亚铁血红素。因此在生理条件下ＮＯ能够从络合物里解离出来。同一大学的昆虫化学家则发现在两类不同的昆虫臭虫和锥鼻虫的唾液里发现一类叫做Nitrophorin的化合物。在ｐＨ为５．５（唾液值)时，ＮＯ结合牢固。当ｐＨ为７.35（其猎物的血液值）时ＮＯ结合松驰。ｐＨ值改变引起ＮＯ结合与释放的现象有助于确保昆虫得到足够的血。鉴于这两类昆虫的蛋白质相去甚远，因此它们可能彼此无关地用同一种方法来增加它们吸血的效率。ＮＯ和超氧离子的反应ＮＯ的另一重要生物学反应是它与超氧离子O2-反应，反应的可能产物是过氧亚硝酸根离子ＯＮＯＯ-。在生理ｐH值下，该离子的半衰期１－２秒，因此从未在细胞间检出该产物。过氧亚硝酸棍离子被认为是人体有炎症、中风、心脏病和风湿病引起大量细胞和组织毁坏的原因。它们在巨噬细胞里的受控生成是巨噬细胞能够杀死癌细胞和入侵的微生物的重要原因。怀俄明大学的研究者用生物拟态法合成了过氧亚硝酸的四甲基铵盐。合成反应是计量的，在液氨里进行，以保证超氧离子在溶液中存在，并可避免生成亚硝酸根和硝酸根的副产物。研究者们正用谱学方法和简单的反应来探究过氧亚硝酸根离子的基本性质。例如它的基态究竟是顺式的还是反式的，这两种构型之间转化的能阈有多大，以及它和硝酸根的异构化反应等。例如，他们发现，当16Ｏ标记的过氧亚硝酸根在18Ｏ标记的水中分解时，生成的硝酸根有关11％18O。由此可见，该反应绝不是简单的异构化反应。正在试验中的释放ＮＯ的新药尽管像硝酸甘油这样的给出ＮＯ的药物已经用了一百多年，至今仍然没有一种完美的药物。例如，用于治疗心绞痛的硝酸甘油必须经还原产生ＮＯ。因连续使用硝酸甘油会造成人体供应的还原剂的一时匮乏而降低药效。又例如手术时用于控制血压的一种金属亚硝酰化合物—硝普盐会释放出有毒的副产物氰离子，新近研究的新药Diazeniumdiolates可能是一类较好的ＮＯ给体，可用于多种威胁生命的疾病。该阴离子以固态存在时是稳定的，当溶解时则释放出２个摩尔的ＮＯ，如下式所示：通过改变该阴离子的有机基团Ｘ可以合成的这类药物的种简直是无限的。所有已经合成的药物溶解释放ＮＯ分子的反应均为一级反应。在生理条件下，溶解后的分子的半衰期为３秒至２０小时不等。该新药正在研究的应用之一是用于心脏冠状动脉扩张术，在手术中打开的冠状动脉会导致平滑肌细胞增生和血小板聚集。ＮＯ可将两者阻抑住。一个试验是手术时在老鼠的冠状动脉血管外壁敷以含该新药的胶。发现在手术两周后组织的增生明显受到抑制。还有一则试验是将该新药注射到猪的心包内。考察是否能够在相当长的时间内明显阻抑组织增生，美国国立肿瘤研究所的化学家们还考察了该新药能否防治因败血症等全身性炎症引起的肝脏损伤。早期的研究曾指出释放ＮＯ的药物有助于通过循环系统在败血症引起的休克时保护肝脏。另外的试验发现这类新药能够诱发小鼠的免疫系统治疗因丝虫引起的象皮病。路易斯安那州立大学的研究者则报告说，该类化合物会攻击分离的血管中的癌细胞，因此有可能降低癌转移的风险。新奥尔Tulane大学药学院则对雄鼠使用该药物时发现能诱导阴茎勃起，因而该药还可能用于治疗阳屡。